3G、4G、5G有何不同之处
3G技术还未远去，4G技术方兴未艾，5G技术已蓄势待发。本文从技术层面全面解析了关于3G、4G、5G的不同之处：1.无线通信传递媒介：电磁波，2.无线通信传递通道：带宽，3.带宽与数据传输率的差异，4.数字调变技术，5.多任务技术， 与 5G 的技术发展目的：增加频谱效率与带宽。
智能型手机的问世除了带动行动世代的崛起，更加速通讯技术的革新，在几年间，数据传输率的增加让用户享受高速行动网络新体验，3G、4G、5G 的议题热度也始终居高不下，并跃居产官学研等单位的研究主题。
但是一般人对 4G 乃至于 5G 的认知，就是手机上网的速度更快，并不了解背后的科学含意，本文将从不同通讯世代的角度切入，一步步带领读者认识这些技术背后的原理，到底什么是电磁波?什么是带宽?不同世代的差别又在哪里?
移动电话的世代
我们常常听到广告说：4G LTE，其中 G 代表「代(Generation)」，4G 代表第四代，是为了与之前的第二代(2G)、第三代(3G)移动电话做出区隔，我们以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明，这也是目前台湾所使用的系统：
第二代移动电话(2G)：GSM 系统只支持线路交换(注)的语音信道，主要透过语音信道打电话与传送简讯，GPRS 系统支持分组交换因此可以上网，但是由于利用语音信道传送数据封包，因此上网的速度很慢。
第三代移动电话(3G)：UMTS 系统支持分组交换(注)，可以用更快的速度上网，由于 3G 的手机同时支持 2G ，因此当我们使用 3G 的手机讲电话或传简讯时，其实是使用 GSM 系统的语音信道来完成。
·第四代移动电话(4G)：LTE / LTE-A 系统支持分组交换，可以用更快的速度上网，由于 4G 的手机大多同时支持 3G 与 2G，因此在手机不到 LTE 基地台时仍然会以 UMTS 基地台上网，讲电话或传简讯时仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。
儿歌歌词其实 4G 使用的 LTE 系统由于数据传输率很高，可以直接将语音数据切割成封包来传送，原理就和 Skype 网络电话一样，可以让音质更好，但是分组交换通常费用是以数据传输率来计算，等于使用者讲再久费用都一样，对电信公司来说如何收到更多钱是个问题;反观线路交换是计时收费，电信公司能够赚到更多钱，因此目前台湾大部份电信公司的 4G LTE 提供讲电话或传简讯时，仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。
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政治权利带宽的科学含意
一般人对通讯世代的认知就是愈后面的世代表示带宽(Bandwidth)愈宽，带宽就好像高速公路，带宽愈宽就好像高速公路愈寛(车道愈多)，代表行车速度愈快，也就是通讯时数据传输率愈高;再讲简单一点，就是手机上网的速度更快，这样的观念是对的，但是这种认知是不科学的，要解释带宽，我们需要从电磁波说起。
无线通信传递媒介：电磁波
xp清理电磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的「电场(Electric field)」与「磁场(Magnetic field)」交互作用而产生的一种「能量(Energy)」，这种能量在前进的时候就像水波一样会依照一定的频率不停地振动，如图1(a)所示。电磁波每秒钟振动的次数是「频率(Frequency) 」，单位为「赫兹(Hz)」，假设某一个电磁波一秒钟振动 2 次，则频率为 2Hz，如图1(b)所示;一秒钟振动 4 次，则频率为 4Hz，如图1(c)所示，例如：无线局域网络(Wi-Fi)与蓝牙(Bluetooth)的通讯频率为 ，意思就是它使用的电磁波每秒钟振动 24 亿次(在这里 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 亿，不是前面 3G、4G、5G 的那个 G)。
 图1：电磁波的定义
(a)电磁波是由彼此互相垂直的电场与磁场交互作用而产生的能量;
(b)每秒钟振动 2 次则频率为2Hz;
(c)每秒钟振动 4 次则频率为4Hz。
宇宙里自然存在的所有电磁波如图2(a)所示，我们称为「电磁波频谱(Spectrum) 」，由图中可以看出中间的部分是光(Light)，包括：红外光(Infrared，IR)、可见光(人类肉眼可以看见的光)、紫外光(Ultraviolet，UV)，因此光是一种电磁波;右边为频率更高(能量更高)的电磁波;左边为频率更低(能量更低)的电磁波，由于频率较低的电磁波比较安全，而且具有良好的绕射特性，因此适合用来做为无线通信使用。
 图2：电磁波频谱与应用。
(a)电磁波频谱;三年级清明节作文300字作文
(b) 通讯电磁波频谱。
目前用来做为无线通信的电磁波如图2(b)所示，包括：罗口袜
频率大约 100G~1GHz 的电磁波：通常应用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯等，而频率 30GHz 以上(相当于波长 10 毫米以下)的电磁波称为「毫米波(Millimeter Wave)」，目前有公司计划应用在 5G 的通讯系统中。
频率大约 100M~1MHz 的电磁波：通常应用在无线电视、行动通讯(GSM / GPRS)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等。
频率大约 100K~1KHz 的电磁波：通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。
无线通信传递通道：带宽
带宽(Bandwidth)是用来传递讯号的「频率范围」，单位与频率相同为「赫兹(Hz)」，而且每一对通讯用户必须使用「不同的频率范围」来通话，假设：
甲和乙使用频率 900~ 的电磁波通话(带宽 =;
丙和丁使用频率 ~ 的电磁波通话(带宽 此时我们说这个通讯系统的语音信道带宽为 。
手机并不会分辨到底是谁和谁在通话，而是接收某一个「频率范围(带宽)」的电磁波讯号，因此甲与乙通话时手机都接收频率 900~ 的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率 ~ 的电磁波，换句话说，所有的通讯组件都是「只认频率不认人」，而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重复使用，否则会互相干扰。
带宽与数据传输率的差异
「带宽(Bandwidth)」与「数据传输率(Data rate)」的意义很类似，常常让我们混淆，这里简单说明它们之间的差别：
带宽(Bandwidth)是模拟通讯使用的名词：由图一可以看出，电磁波是一种连续的波动能量，既然是连续的当然一定是模拟讯号，因此「带宽(Bandwidth)」和它的单位「赫兹(Hz)」指的都是电磁波的物理特性。
数据传输率(Data rate)是数字通讯使用的名词：手机会先将我们讲话的声音(连续的模拟讯号)先转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号，再经由天线传送出去。数据传输率的单位「每秒位数(bps：bit per second)」，代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个 0 或 1，例如：1Gbps(1G = 10 亿)代表每秒可以传送 10 亿个位(10 亿个 0 或 1)。
数据传输率是数字通讯时实际传送每个位数据的速率，重点是数字讯号让我们可以利用不同的调变与多任务技术，使相同带宽的介质具有更高的数据传输率，这就是目前许多新的通讯技术，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被发明出来的原因，后面会再详细说明。
在前文中，我们了解到无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系统使用频率范围 890~960MHz，则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多技术，来扩增频谱的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在这些复杂技术的背后，只要能掌握两个基本概念，就能了解整个通讯技术的发展关键。
这两个基本概念为「调变技术」(Modulation)与「多任务技术」(Multiplex)。其中调变技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表 0 与 1 两种不同的数字讯号，这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数字调变技术，不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术)。多任务技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用，由于手机必须设计给所有的人使用，当每支手机都把电磁波丢到空中，该如何区分那个电磁波是谁的呢?
数字调变技术(Digital modulation)
现在的手机是属于「数字通讯」，也就是我们讲话的声音(连续的模拟讯号)，先由手机转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号，再经由数字调变转换成电磁波(模拟讯号载着数字讯号)，最后从天线传送出去，原理如图3所示。
 图3：数字通讯示意图。(Source：the noun project)
电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数字讯号呢?因此科学家发明了下列 4 种数字调变技术：
1.振幅位移键送(ASK)：利用电磁波的「振幅大小」载着数字讯号(0 与 1)传送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，图4(a)所示。

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